DigiPEP
BMWi-Förderprojekt DigiPEP: Digitaler Produktentstehungsprozess zur Auslegung von TFP-Preforms.
Beanspruchungs- und verschnittoptimierte textile Halbzeuge für die Herstellung von Faserverbundkunststoffen (FVK), sogenannte Tailored Textiles (TT), bieten Potentiale zur Senkung des Bauteilgewichts und Materialeinsatzes bei gleichzeitiger Erhöhung der Bauteilperformance. Damit sind sie ein Schlüssel für eine verbesserte Nachhaltigkeit im gesamten Produktlebenszyklus von FVK, sowie zur Kostenreduktion in ihrer Herstellung. Ein textiles Fertigungsverfahren zur Herstellung von TT ist das Tailored Fibre Placement (TFP).
Das TFP-Verfahren ist eine Variante des technischen Stickens, bei dem durch eine CNC-gesteuerte variabel-axiale Ablage von Verstärkungsfasern Halbzeuge hergestellt werden. So lassen sich problemlos Verschnittraten von unter 5% realisieren. Damit ist TFP gegenüber anderen Preformingprozessen auf Basis flächiger Halbzeuge (Verschnitt 30-50%) ein hoch effizientes Verfahren bezogen auf den Einsatz von Fasermaterial. Zusätzlich lassen sich Verstärkungsfasern beanspruchungsgerecht entlang der Hauptspannungen im Bauteil ausrichten, wodurch eine Überdimensionierung (Gewicht, Kosten, CO2-Emission) vermieden wird. Trotz des hohen Technologiereifegrads der TFP-Sticktechnologie (TRL Level 9) stellt die TFP-optimierte Bauteilauslegung und Stickmustergenerierung (Maschinencode zur Herstellung) eine Hürde für die industrielle Anwendung in kleinen und mittleren Serien dar. Für einzelne Auslegungsschritte sind zwar bereits (Teil-) Lösungen bekannt (FEA, Lastpfadermittlung, Versagensmodelle, Bahnplanung, Drapierung, Kosten), jedoch bedingen sich die Parameter der Entwicklungsschritte gegenseitig, d.h. es treten für jeden Entwicklungsschritt sowohl rückwirkende Wechselwirkungen als auch Wechselwirkungen auf die nachfolgenden Entwicklungsschritte auf. Dadurch kommt es in der Praxis zu einer hochgradig iterativen und kostspieligen Entwicklung, wodurch die effiziente Entwicklung von TFP-Bauteilen zurzeit nicht umsetzbar ist.
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Etablierung der TFP-Technologie in der deutschen Wirtschaft - insbesondere bei KMU – um damit material- und ressourceneffizienten Leichtbau umzusetzen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird im Rahmen des Vorhabens ein ganzheitlich, digital vernetzter Produktentstehungsprozess (PEP) für TFP-Bauteile entwickelt und validiert. Der Lösungsansatz basiert auf der Methodik des model-based systems engineering (MBSE). Dabei wird die verknüpfte Wertschöpfungskette (Konstruktion, Strukturmechanik, Textil- und Fertigungstechnik) in Form eines Systemmodells, aggregiert und aus einzelnen digitalen Teilmodellen, abgebildet. Die Teilmodelle (FEA, Lastpfadbestimmung, Festigkeitsmodell, Bahnplanung und Drapierung) werden auf Parameterebene miteinander vernetzt, wodurch eine vollständige Digitalisierung und Durchgängigkeit der Daten erzeugt wird. Durch das Systemmodell kann die TFP-Bauteiloptimierte Auslegung erstmals ganzheitlich, d. h. fertigungsgerecht und optimiert hinsichtlich Kosten, Gewicht und Performance, durchgeführt werden. Bereits beim Strukturentwurf werden Lösungen bzgl. ihrer Drapierbarkeit und Kosten bewertet, indem direkt eine Bahnplanung berechnet wird, um kostspielige Iterationen zu vermeiden.
Das Institut für Strukturmechanik und Leichtbau stellt im Projektrahmen Teilmodelle für das Systemmodell zur Verfügung. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Modellierung des TFP-Materials (insbesondere unter Berücksichtigung der gewählten Fertigungsparameter) und der Bauteiloptimierung in Hinblick auf die lokale Bauteildicke und Faserorientierung. Dabei werden unterschiedliche Optimierungsalgorithmen auf Ihre Eignung im Projektkontext untersucht.
Im Projektkonsortium arbeiten die Firmen Adesso SE, Digel Sticktech GmbH & Co. KG, EDAG Engineering GmbH, ModuleWorks GmbH und Ph-Mechanik GmbH, sowie die RWTH Aachen mit dem Institut für Textiltechnik (ITA), Institut für Maschinen-elemente und Systementwicklung (MSE) und dem Institut für Strukturmechanik und Leichtbau RWTH Aachen (SLA). Die Projektleitung liegt beim Institut für Textiltechnik.